Il raffrescamento e il riscaldamento degli ambienti è un'esigenza comune nella maggior parte delle aree abitate. In Europa, l'energia consumata per l'aria condizionata è in aumento, e la situazione potrebbe peggiorare nel prossimo futuro a causa dell'aumento della temperatura in diverse regioni del mondo. La crescente necessità di raffrescamento negli edifici, soprattutto durante la stagione estiva, è soddisfatto dai condizionatori, che fanno spesso uso di refrigeranti ad alto impatto ambientale e comportano anche elevati consumi di energia elettrica. Così, come possono gli ingegneri ridurre la domanda di energia per il raffreddamento degli edifici?

Un nuovo studio pubblicato su Progressi scientifici da un gruppo di ricerca con sede presso il Politecnico di Torino (SMaLL) e l'Istituto Nazionale di Ricerche Metrologiche (INRiM) propone un dispositivo in grado di generare un carico frigorifero senza l'utilizzo di energia elettrica. Come i dispositivi di raffreddamento più tradizionali, questa nuova tecnologia sfrutta anche l'evaporazione di un liquido. Però, l'idea chiave proposta dai ricercatori torinesi è quella di utilizzare semplice acqua e sale comune al posto di sostanze chimiche potenzialmente dannose per l'ambiente. Anche l'impatto ambientale del nuovo dispositivo è ridotto perché basato su fenomeni passivi, cioè., processi spontanei di capillarità ed evaporazione, invece di pompe e compressori che richiedono energia e manutenzione.

"Il raffreddamento per evaporazione dell'acqua è sempre stato conosciuto. Ad esempio, la natura sfrutta l'evaporazione del sudore dalla pelle per raffreddare il nostro corpo. Però, questa strategia è efficace finché l'aria non è satura di vapore acqueo. La nostra idea era quella di realizzare una tecnologia a basso costo in grado di massimizzare l'effetto di raffreddamento indipendentemente dalle condizioni esterne del vapore acqueo. Invece di essere esposto all'aria, l'acqua pura è a contatto con una membrana impermeabile che la tiene separata da una soluzione salina altamente concentrata. La membrana può essere immaginata come un setaccio poroso con dimensioni dei pori dell'ordine di un milionesimo di metro. Grazie alle sue proprietà idrorepellenti, l'acqua liquida della nostra membrana non passa attraverso la membrana, mentre il suo vapore sì. In questo modo, l'acqua dolce e salata non si mescolano, mentre un flusso costante di vapore acqueo si verifica da un'estremità all'altra della membrana. Di conseguenza, l'acqua pura si raffredda, con tale effetto ulteriormente amplificato grazie alla presenza di diversi stadi di evaporazione. Chiaramente, la concentrazione di acqua salata diminuirà costantemente e l'effetto di raffreddamento diminuirà nel tempo; però, la differenza di salinità tra le due soluzioni può essere ripristinata in modo continuo e sostenibile utilizzando l'energia solare, come dimostrato anche in un altro recente studio del nostro gruppo, " spiega Matteo Alberghini, dottorato di ricerca studente presso il Dipartimento di Energia del Politecnico di Torino e primo autore della ricerca.

La caratteristica interessante del dispositivo proposto è il suo design modulare composto da unità di raffreddamento di pochi centimetri di spessore ciascuna, che possono essere impilati per aumentare l'effetto di raffreddamento in serie, come accade con le comuni batterie. In questo modo, è possibile regolare la potenza frigorifera in base alle esigenze individuali, eventualmente raggiungere una potenza frigorifera paragonabile a quella tipicamente necessaria per l'uso domestico. Per di più, acqua e sale non necessitano di pompe o altri ausiliari per essere trasportati all'interno del dispositivo. Anzi, si muove spontaneamente grazie agli effetti capillari di alcuni componenti in grado di assorbire e trasportare acqua, anche contro la gravità.

"Anche altre tecnologie per il raffreddamento passivo sono in fase di sperimentazione in vari laboratori e centri di ricerca in tutto il mondo, come quelli basati sulla dissipazione del calore a infrarossi nello spazio, noto anche come raffreddamento passivo radiativo. Quegli approcci, sebbene promettente e adatto ad alcune applicazioni, presentano anche dei grossi limiti:il principio su cui si basano può risultare inefficace nei climi tropicali e in generale nelle giornate molto umide, quando il bisogno di condizionamento sarebbe alto; Inoltre, esiste un limite teorico per la potenza frigorifera massima. Il nostro prototipo passivo, basato invece sul raffreddamento evaporativo tra due soluzioni acquose con salinità diverse, potrebbe superare questo limite, creando un effetto utile indipendente dall'umidità esterna. Inoltre, potremmo ottenere in futuro una capacità frigorifera ancora maggiore aumentando la concentrazione della soluzione salina o ricorrendo ad una più sofisticata modularità del dispositivo, " hanno scritto i ricercatori.

Anche, la semplicità di montaggio del dispositivo e dei materiali richiesti comporta un basso costo di produzione, nell'ordine di pochi euro per ogni fase di raffreddamento. Come tale, il dispositivo potrebbe essere ideale per installazioni in zone rurali, dove l'eventuale mancanza di tecnici adeguatamente formati può rendere difficoltoso il funzionamento e la manutenzione dei tradizionali sistemi di raffreddamento. Si possono prevedere interessanti applicazioni anche in regioni con elevata disponibilità di acqua salata, come le regioni costiere in prossimità di grandi impianti di desalinizzazione o nelle vicinanze di saline e miniere di sale.

Al momento, la tecnologia non è ancora pronta per l'immediato sfruttamento commerciale, e sono necessari ulteriori sviluppi (anche soggetti a futuri finanziamenti o partnership industriali). In prospettiva, questa tecnologia potrebbe essere utilizzata in combinazione con i sistemi di raffreddamento esistenti e più tradizionali per attuare efficacemente strategie di risparmio energetico.